特開 2023-174461 宇宙航行体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023174461

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】宇宙航行体装置

(51)【国際特許分類】

   F03H 99/00 20090101AFI20231130BHJP

   B64G 1/24 20060101ALI20231130BHJP

   B64G 1/40 20060101ALI20231130BHJP

【ＦＩ】

F03H99/00 Z

B64G1/24 400

B64G1/40 900

【審査請求】有

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022173866

(22)【出願日】2022-10-30

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-07-03

(31)【優先権主張番号】P 2022086165

(32)【優先日】2022-05-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】711006566

【氏名又は名称】小磯 和穂

(72)【発明者】

【氏名】小磯 和穂

(57)【要約】      （修正有）

【課題】実質的な意味で全電化を可能とする宇宙航行体装置を提供する。
【解決手段】宇宙航行体装置であって、応力波生成に関して生ずる反作用に対して少なくとも一箇所以上を相殺または軽減可能で、応力波を発生可能で、応力波の伝播方向の少なくとも一箇所以上をハンマ部の動作方向または生成直後の応力波の伝播方向から変更可能で、応力波を受取る事で射出される事が可能で、運動エネルギーを受取る事を可能とする事により宇宙航行体が運動エネルギーを獲得可能である事を特徴とする装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

無重力あるいは微小重力空間下における宇宙航行体であって
応力波生成に関して生ずる反作用に対して少なくとも一箇所以上を相殺または軽減する手段と、
応力波を発生させる手段と、
応力波の伝播方向をハンマ部の動作方向または生成直後の応力波の伝播方向から変更する手段と、
応力波を受取る事で射出される手段と、
運動エネルギーを受取る事により推進力を得る手段と、
を有する事を特徴とする推進装置。

【請求項2】

請求項１記載の推進装置であって、移動中のウェイト部を挟持する事により推進力を得る事を特徴とする。

【請求項3】

請求項１記載の推進装置を用いた姿勢制御システム。

【請求項4】

請求項１記載の推進装置を用いた宇宙航行体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、無重力あるいは微小重力空間下における宇宙航行体用推進装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、宇宙航行体の移動方法としては推進剤を用いるのが一般的である為、予め推進剤を内蔵しておき、推進剤自体を噴射または燃焼した反動によるもの（特許文献１、２）や、推進剤をイオン化しクーロン力により加速する（特許文献３）といったものがほとんどだった。
推進剤を使用せずに推進力を得る方法では、太陽光やレーザー等の輻射圧によるもの（特許文献４，５）などがみられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－１４０８７５号公報

【特許文献2】特開２００７－０８５２１３号公報

【特許文献3】特開昭６３－２１２７７７号公報

【特許文献4】特開昭６３－０４７０００号公報

【特許文献5】米国特許公開００６５６５０４４Ｂ１

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記の従来技術だと、人工衛星の場合は、内蔵している推進剤が底をつくと移動や姿勢制御が不可能となり、他の機器が正常に作動していたとしても人工衛星自体の寿命と見做される事となる。
太陽光等の輻射圧を利用した推進方式であるソーラーセイルの場合だと推進剤は必要ないが小回りが利き難く、実用化するには結局、推進剤を用いる移動手段とのハイブリッドシステムを採用する必要がある。
つまり現状では、各種宇宙機の設計寿命をどれだけ延長可能だとしても推進剤搭載量で運用期間が左右される状態にある。
とはいえ、無重力状態で推進剤無しで物体を任意の方向へ移動させる事は従来手法では難しかった。例えば、質量が限りなく小さい宇宙機をある方向へ移動させるとして、機内にいる者が足を床に固定しつつ前記方向へボールを投じて宇宙機内側の壁に打当てた場合、宇宙機は前記方向に動くように思われる。しかし実際には投球時にボールを押出す力の反作用により宇宙機には前記方向とは逆方向にも同等の力が加わる為、最終的に宇宙機はボールにより押された方向と、該方向とは逆の方向との間で揺れるだけとなり、ボールを打当てた力は推進力とはならない。
本開示はかかる問題に鑑みてなされたものであり、無重力あるいは微小重力空間下において推進剤を要せずに宇宙航行体を推進する装置を提供する事を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示は、無重力あるいは微小重力空間下における宇宙航行体であって、応力波生成に関して生ずる反作用に対して少なくとも一箇所以上を相殺または軽減する事と、応力波を発生させる事と、応力波の伝播方向をハンマ部の動作方向または生成直後の応力波の伝播方向から変更する事と、応力波を受取る事で射出される事と、運動エネルギーを受取る事により推進力を得る事と、を有する。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、宇宙航行体がほぼ電力のみで推進可能となる為、推進剤搭載量の制限についての重要度は低くなる事に加え、従来型の推進剤不要な推進方法と比較すると機体の加速性能に優れている可能性が高い。また、宇宙航行体の推進方法としての利用のみならず、一応用例としてではあるが既存の姿勢制御システムのスラスタの噴射機構と置換する事で姿勢制御回数の制限もなくせる。
上記理由により、人工衛星の延命を図る事が出来るので必然的に打上げ回数が削減される。そのため、衛星インターネットサービス用衛星等、多くの人工衛星を有する企業では中長期的には大幅なコストダウンとなり、サービス料金に反映する事によりユーザーへの訴求効果が期待できる。
さらに、他国に所属する人工衛星を物理的に無力化するミッションを帯びた衛星を運用する場合だと、対象衛星が回避したとしても該衛星の推進剤が尽きるまで追跡を継続する事でいずれ目的を達成する。
また、将来的には、本開示による推進装置を搭載した大量の宇宙航行体を連ねて周回させ、他の星から資源を運搬してくるといった利用方法も考えられる。その際の推進剤コストは発生しない為、充分に採算の合う事業となる。
その他にも、推進装置を直接、一定程度の質量をもつスペースデブリに添装する事で大気圏内へと導いて処分したり、発電可能な状態を継続できる限りにおいてではあるが、より遠方かつ長期間の深宇宙探査が可能となり得る。
従って本開示による推進装置を搭載する対象は人工衛星をはじめとして、探査機、宇宙船、スペースデブリ、岩石等（以下、これら全てを含めて宇宙航行体と称する）と多岐に渉るものとみられる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本開示の実施形態１における推進装置の初期位置状態を示した説明図

【図2】本開示の実施形態１における推進装置のハンマ部動作時の状態を示した説明図

【図3】本開示の実施形態１における推進装置のウェイト部射出とウォール部への接触状態を示した説明図

【図4】本開示の実施形態２における推進装置の初期位置状態を示した説明図

【図5】本開示の実施形態２における推進装置のハンマ部動作時の状態を示した説明図

【図6】本開示の実施形態２における推進装置のウェイト部射出とウォール部への接触状態を示した説明図

【図7】本開示の実施形態３における推進装置の初期位置状態を示した説明図

【図8】本開示の実施形態３における推進装置のハンマ部動作時の状態を示した説明図

【図9】本開示の実施形態３における推進装置のウェイト部射出とウォール部への接触状態を示した説明図

【図10】本開示の実施形態４における推進装置の変形例説明用の宇宙航行体の透過図

【発明を実施するための形態】

【0008】

本開示の実施形態による、無重力あるいは微小重力空間下における宇宙航行体の推進装置を、図を参照して以下に説明する。実施例１では本開示による基本的な構造と動作の一例、実施例２では本開示の応力波生成部を電磁石へ置換した例、実施例３では本開示の応力波生成部をピエゾ素子へ置換した例、実施例４では本開示の姿勢制御システムへの変形例の記述となる。

【0009】

以下の実施例に共通する事として、理解を容易とする為に図面は概念的あるいは模式的なものとなっており、各部の比率や形状、部品等は必ずしも直接的に実機へ適用可能なものとは限らない。

【0010】

宇宙航行体の形状や使用目的により最適解が異なってくる為、一概には言い切れないが本開示による推進装置は搭載される各機体の重心付近に設置する事が望ましく、加えて、有人宇宙機での使用に際しては騒音や振動を処理する必要がある。

【0011】

仮に本開示の推進装置を搭載する宇宙航行体が膨大な質量を備えているなどの理由で巨大な推進力を獲得する必要があるならば、宇宙空間で極低温を得るのは難しくない為、超伝導電磁石を用いる事も考えられる。

【実施例0012】

以下に、実施形態１について説明する。
上記において、ボールを打当てて宇宙機を押す力は推進力とはならない、と記述したが推進剤を使用しない場合、無重力空間では運動エネルギーを発生させる際の反作用は何らかの手段で軽減しない限りは推進力たり得ない。本実施形態では、反作用の軽減を相殺という手段によって図ろうとするものであり、その後に運動エネルギーのベクトルを変更しつつ該運動エネルギーを取り出す事により最初に発生させた運動エネルギーの多くを推進力とする。
本実施形態の推進装置はリニアソレノイドアクチュエータにより動作させるものとなる。
ソレノイドアクチュエータ１５０については、図で表現されているものは動作の理解の一助となるよう簡略化して描かれた一例に過ぎず、他の形状や機能を有するものを使用してもよい。

【0013】

以下の本実施形態の推進装置は、動作時に応力波を発生する部位（以降、ハンマ部１１０と称す）と、応力波を受渡したりまたは応力波の伝播方向を変更する部位（以降、コア部１２０と称す）と、応力波を受取る事により射出される部位（以降、ウェイト部１３０と称す）と、運動エネルギーを受取る事で推進力とする部位（以降、ウォール部１４０と称す）とで構成されている。各部の材質について特に限定はないが過酷な宇宙環境下で劣化し難く効率的に応力波を発生・伝播できるものが望ましい。但しウォール部についてはこの限りではない。

【0014】

図１は本開示の実施形態１の動作前の初期位置状態を示している。
ハンマ部１１０においてはコア部１２０に接触しておらず、ウェイト部１３０においてはコア部１２０に接触している状態となっている。ハンマ部１１０とコア部１２０の位置関係としては、プランジャ１６０のストローク程度の間隔をあけた状態でソレノイドアクチュエータ１５０が固設されており、コア部１２０はハンマ部１１０動作時に移動しないよう固設されている事が望ましい。
本実施形態においてハンマ部１１０が動作するというのは、プランジャ１６０先端部分のハンマ部１１０を用いてコア部１２０で応力波を生成する事をいう。応力波の発生効率に問題がないようならば、ソレノイドアクチュエータ１５０に対して独立したハンマ部１１０といった部材を設けず、プランジャ１６０自体をハンマ部として直接用いてもよい。
ウェイト部１３０はウォール部１４０へ向けて直動可能な状態で設置されている。

【0015】

本開示の推進装置による宇宙航行体の推進速度については、理論上はウェイト部１３０射出時の初速に比例して上がっていく為、ハンマ部１１０を動作させる際には、他実施例においても言える事だがハンマ部が移動する前にこれを留めて蓄勢する為のロック機構を設けてもよい。ロック機構とは、ソレノイドアクチュエータ１５０通電時、直ちにプランジャ１６０が移動してしまうとハンマ部１１０はコア部１２０を緩やかに衝打する事になる為、プランジャ１６０を一時的に固定しておき該プランジャ１６０に対して十分に磁力が加わってから、即ちハンマ部１１０の初速がある程度担保されてからロックを解放するといった仕組みである。さらにより一層、ウェイト部１３０の初速を引き上げる手段としては、初期位置において予めコア部１２０とウェイト部１３０のいずれか若しくは双方共に部材自体を帯磁させるか、あるいは電磁石などによる適当な大きさの磁力で相互に吸着させておく事により、ハンマ部１１０動作時にガウス加速器の原理と同様の効果を得られるといったものが考えられる。

【0016】

図１の状態から推進装置を駆動する時には、ソレノイドアクチュエータ１５０に通電し、プランジャ１６０先端部分が移動する事でハンマ部１１０がコア部１２０を衝打する。
その結果、図２の状態となりコア部１２０に応力波が発生し該コア部１２０に接触しているウェイト部１３０に対して応力波の形で大半の運動エネルギーを受渡す。
他にも、ハンマ部１１０でコア部１２０以外のいずれかの部位を直接衝打し反作用を衝撃吸収材等で軽減する、という手段も考えられるが、ガウス加速器の効果の恩恵を受けられず、加えて、コア部１２０を介して複数のハンマ部１１０の運動エネルギーを集約したほうが動作の精度が高い為、上記のような手段では全体的な効率は著しく低下すると思われる。

【0017】

ハンマ部１１０によって生成された運動エネルギーはほぼ全てウェイト部１３０へ受渡すように調整可能だが、設計によっては各部の形状や角度、設置スペースの関係でウェイト部１３０射出時にコア部１２０に対する反作用の発生が完全には回避できないケースもある。コア部１２０への反作用は機体の初速や推進力のロスをもたらす要因となるので、そのような時に取り得る対応方法としては、コア部１２０後方に衝撃吸収材を敷設する事により反作用の運動エネルギーの一部を熱に変換して減衰または軽減させる、といったような手段を講じる事が考えられる。但し、宇宙環境においては既存の高性能な衝撃吸収材は短期間で劣化すると思われるので、新規開発を行うか、あるいは機械的な仕組みの衝撃吸収機構を用いる事が望ましい。しかしながら、可能であれば当初から設計で相殺などにより反作用が発生し難くなるよう調整しておくべきと思われる。

【0018】

本実施形態の図では、ウェイト部１３０の射出方向に対してハンマ部１１０の移動方向が直交するように記載されているが、特に角度を限定するものではなく設計上の都合によりハンマ部１１０の設置角度は任意のものとする事が出来る為、推進効率の点から各々の装置設計に適切で最も高効率な角度を探る事が望ましい。

【0019】

本実施形態ではハンマ部が対向配置されているが、これはハンマ部の動きを違える事で該ハンマ部動作時の反作用を相殺または軽減する為という理由がある。つまり少なくとも本実施形態においては、ハンマ部の移動方向と宇宙航行体の推進方向には必ず相違が生じるという事でありウェイト部１３０に運動エネルギーを受渡す際に伝播方向が変更されている必要がある。

【0020】

また、図では一対のハンマ部のみが記載されているが、ハンマ部の設置数については特に二つに限ったものではなく各ハンマ部の動作時の反作用を相殺可能な状態であるならば設置数に制限はない。例えばウェイト部１３０の進行方向を軸として周設する事でハンマ部を三つ以上に出来る。そして、本来は複数のハンマ部を同時に動作させてウェイト部１３０の移動方向への推進力を生み出すのだが、上記の形態でハンマ部を三つ以上備えた推進装置の場合、一時的にあえてハンマ部を一つのみ動作させたり、一部のハンマ部のみ弱く動作させる事で他ハンマ部の反作用を軽減するに留めたり、あるいは任意の複数個に絞って動作させるなど同期をとらずに駆動する事で宇宙航行体の方向舵の役割も担わせる事が出来る。

【0021】

コア部については本実施形態では各ハンマ部毎に一つずつ存在しているものの必ずしもハンマ部の数に対応するコア部を設置する必要はなく、一つのコア部を複数のハンマ部で衝打してもよい。

【0022】

コア部が複数存在する場合には、各コア部１２０の間に間隙が存在し該間隙部はハンマ部動作前後において失われないようにする必要がある。従って各コア部１２０は間隙を有した状態で固定されている事が望ましいが、ハンマ部１１０接触時に発生する応力波は、コア部１２０内でインピーダンスの変化する部分において反射する性質がある為、間隙にコア部とは異なる材質を挟着してもよい。そのため、コア部を球形以外にする場合には応力波の性質も見越したうえで形状設計する必要がある。

【0023】

ハンマ部１１０・コア部１２０・ウェイト部１３０の各形状については、物理計算が容易という利点がある為に本開示の実施形態では球形で表しているがいずれにおいても球形に限るものではなく、Ｌ字型や三角型等、研究開発を進めていく段階でより効果的な形状と思われるものに適宜変更可能である。

【0024】

次に、応力波を受取ったウェイト部１３０が射出されウォール部１４０へ接触した状態が図３となる。
ウェイト部１３０がウォール部１４０で制動されるか、またはウォール部１４０を叩打する事により該ウォール部が運動エネルギーを受取り、結果的に宇宙航行体自身が推進する事になる。

【0025】

ウォール部１４０には、ウェイト部１３０接触時に該ウェイト部１３０の過度な反発を抑制するべく何等かの処理が施されている事が望ましい。本実施形態ではウォール部１４０との接触部分にウェイト部１３０の一部分に近い形状の凹部を設ける事で反発力を減勢している。つまり、ウォール部１４０への接触後に発生する反発を利用して充分に減速したウェイト部１３０が初期位置へ復帰するよう凹部の深さで反発力を調整しておく。その際にウォール部１４０とコア部１２０の距離が、本実施形態の図が示すように大きくは離れていない状態であるならば、図１から図３のサイクルに示されているようにウェイト部１３０には何も設置せずとも単体でウォール部１４０とコア部１２０間の空間を飛んで移動させる事も可能な為、初期位置へと導く為の仕組みを設置する必要は無い。
このような非弾性衝突では運動エネルギーは失われても運動量保存則は成り立つ為、ウォール部１４０は押される事になる。

【0026】

ウェイト部１３０がウォール部１４０へ接触後は、ハンマ部１１０とウェイト部１３０を初期位置状態へと復帰させる必要がある。本実施形態では双方とも復帰機構は設置不要に出来るが他の実施方法では必要となる場合もある。その他の手段で復帰へ至る仕組みとしては、ガイドレールに沿って移動させる、ワイヤによって引寄せる、回動可能な状態に設置されたアームをサーボモータ等で制御する、コア部が磁力を帯びているならハンマ部に電磁石を設置して磁力を反転させて反発力を利用する、のように様々な方式が考えられる。但し、修理困難な所で運用する装置なので機構を簡素化する為にも、単に弾性係数が大きくはなく且つ機械的寿命回数が多い弾性体により各部を押戻すか引寄せる方式が望ましい。弾性体の例としては板バネや形状記憶合金等が挙げられる。尚、ウェイト部１３０の初期位置復帰時には極力、応力波が発生しないようコア部１２０へ接触させる必要がある。復帰したウェイト部１３０を留めておく手段としては、弱い磁力でコア部１２０とウェイト部１３０の双方を吸着させる事が望ましい。
本実施形態はコア部１２０が複数個存在している一例であり、設計次第ではウェイト部１３０に対しコア部１２０は一つという事もあり得る。

【実施例0027】

以下に、実施形態２について説明する。
本実施形態の推進装置は、電磁石２１０と一体化したハンマ部１１０により動作させるものとなる。ハンマ部１１０とコア部１２０の位置関係としては、ハンマ部１１０自体のストローク程度の間隔をあけた状態で、コア部１２０へ向けて直動可能な状態で設置されており、コア部１２０は、ハンマ部１１０動作時に移動しないよう固設されている事が望ましい。

【0028】

図４は本開示の実施形態２の動作前の初期位置状態を示している。
本実施形態においてハンマ部１１０が動作するというのは、通電時に発生する磁力の吸着力によりコア部１２０へと移動する電磁石２１０と一体化したハンマ部１１０を用いてコア部１２０で応力波を生成する事をいう。応力波の発生効率に問題がないようならば、電磁石２１０に対して独立したハンマ部１１０といった部材を設けず、電磁石２１０自体をハンマ部１１０として直接用いてもよい。
電磁石２１０については、図で表現されているものは動作の理解の一助となるよう簡略化して描かれた一例に過ぎず、他の形状や機能を有するものを使用してもよい。

【0029】

図４の状態から推進装置を駆動する時には、電磁石２１０に通電し、電磁石２１０と一体化したハンマ部１１０の移動によりコア部１２０を衝打する。
その結果、図５の状態となりコア部１２０に応力波が発生し該コア部１２０に接触しているウェイト部１３０に対して応力波の形で大半の運動エネルギーを受渡す。

【0030】

次に、応力波を受取ったウェイト部１３０が射出されウォール部へ接触した状態が図６となる。本実施形態ではウォール部が運動エネルギーを受取る為に別の手段を用いている。
本実施形態の図でいう上下方向に可動可能とした可動ウォール部２２０が複数個設置されておりウェイト部１３０射出時に、前進中のウェイト部１３０を、射出方向を軸とした周方向から可動ウォール部２２０で挟持する事により運動エネルギーを受取り推進力とする。図６では可動ウォール部２２０の接触面の形状をウェイト部１３０に合わせたものとする事で係止しているが、形状を考慮せず摩擦により滑止してもよい。但し本実施形態の方法では、ウェイト部１３０射出後に可動ウォール部２２０を動かす機構と、ウェイト部１３０を初期位置復帰させる機構が必要となる。その際、可動ウォール部２２０を動かす機構としてはハンマ部動作時と同等の手段が、ウェイト部１３０を動かす機構としては実施形態１に記載したような手段が望ましい。

【0031】

可動ウォール部２２０の動作タイミングを得る手段については、ウェイト部１３０射出後に該ウェイト部１３０接近をセンサで検出する、またはウェイト部１３０移動時に可動ウォール部２２０の動作スイッチに接触して該ウォール部を動作させる等も考えられるが単純で故障し難い手段として、遅延回路を具備した可動ウォール部２２０と、ハンマ部１１０と、を同時に通電して動作させる事で定められた時間だけ遅延して動き出した可動ウォール部２２０によりウェイト部１３０が挟持されるといった機構によるものが望ましい。
本実施形態での可動ウォール部２２０は、何らかの事情で不作動だった場合においてもウェイト部１３０を衝止できる形状となっている。
その他の各部構成、動作や条件等は概ね実施形態１と同等となる。